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iSemi automatic control system for hydraulic shovel 液 壓 挖 掘 機(jī) 的 半 自 動 控 制 系 統(tǒng) 液 壓 挖掘 機(jī)的半 自 動控 制系統(tǒng) Hirokazu Araya Masayuki Kagoshima 日本機(jī)械工程研究實驗室 Kobe Steel Ltd Nishi ku Kobe Hyogo 651 2271 摘 要 開發(fā)出了一種應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的半自動控制系統(tǒng) 采用該系統(tǒng) 即使是不熟練的操作者也能容易 和精確地操控液壓挖掘機(jī) 構(gòu)造出了具有控制器 的液壓挖掘機(jī)的精確數(shù)學(xué)控制模型 同時 通過模擬 實驗研發(fā)出了其控制算法 并將 其應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)上 由 此可以估算出它的工作效率 依照 此 法 可通過正反饋及前饋控制 非線性補償 狀態(tài)反饋和增益調(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn) 定性能 自然雜志 2001 版權(quán)所有 關(guān)鍵詞 施工機(jī)械 液壓挖掘機(jī) 前饋 狀態(tài)反饋 操作 1 引 言 液壓挖掘機(jī) 被稱為大型鉸接式機(jī)器人 是一種施工機(jī)械 采用這種機(jī)器進(jìn)行挖掘和裝載 操作 要求司機(jī)要具備高水平的操作技能 即便是熟練的 司機(jī)也會產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞 另一方面 隨著操作者年齡增大 熟練 司機(jī)的數(shù)量因而也將會減少 開 發(fā)出一種 讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī) 就非常必要了 1 5 液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能 其理由如下 1 液壓挖掘機(jī)的 操作 至少有兩個操作手柄必須同時操作并且要協(xié)調(diào)好 2 操作手柄的動 作方向與其所控的臂桿組件的運動方向不同 例如 液壓挖掘機(jī)的反鏟水平動作 必須同時操控三個操作手柄 動臂 斗柄 鏟 斗 使鏟斗的頂部沿著水平面 圖 1 運動 在這種 情況下 操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動作方向 但是這種方向與工作方向不同 如果司機(jī)只 要操控一個操作桿 而其它自由桿臂自動的隨動動作 操作就變得非常簡單 這就是所謂的半自動 控制系統(tǒng) 開發(fā)這種半自動控制系統(tǒng) 必須解決以下兩個技術(shù)難題 1 自動控制系 統(tǒng)必須采用普通的控制閥 2 液壓挖掘機(jī) 必須補償其動態(tài)特性以提高其控制精度 現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些 技術(shù)問題 通過在實際的液壓挖掘機(jī)上試驗證實了該控制算法的作用 而且我們已采用這種控制算 法 設(shè)計出了液壓挖掘機(jī)的半自動控制系統(tǒng) 具體闡述如下 2 液壓挖掘機(jī)的模型 為了研究液壓挖掘機(jī)的控制算法 必須分析 液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型 液壓挖掘機(jī)的動臂 斗柄 鏟斗 都是由液壓力驅(qū)動 其模型如圖 2 所示 模型 的具體描述如下 2 1 動態(tài)模型 6 假定每一臂桿組件都是剛體 由拉格朗日運動方程可得以下表達(dá)式 其中 g 是重力加速度 i 鉸接點角度 i 是提供的扭矩 li 組件的長度 lgi 轉(zhuǎn)軸中心到重心之 距 m i 組件 的質(zhì)量 Ii 是重心處的轉(zhuǎn)動慣量 下標(biāo) i 1 3 依次表示動臂 斗柄 鏟斗 2 2 挖掘機(jī)模型 每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動 液壓缸的流量是滑閥控制的 如圖 3 所示 可作如下假設(shè) 1 液壓閥的開度 與閥芯的位移成比例 2 系統(tǒng)無液壓油 泄漏 3 液壓油流經(jīng)液 壓管道時無壓力損失 4 液壓缸的頂部 與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域 在這個問題上 對于每一臂桿組件 從液壓缸的 壓力流量特性可得出以下方程 其中 Ai 是液壓缸的有效橫截面積 hi 是液壓缸的長度 Xi 是滑芯的位置 Psi 是供給壓 力 P1i 是液壓缸的頂邊壓力 P2i 是液壓缸 的桿邊壓力 Vi 是在液壓缸和管道的油量 Bi 是滑閥的寬度 是油的密度 K 是油分子 的黏度 c 是流量系數(shù) 2 3 連桿關(guān)系 在圖 1 所示模 型中 液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下 1 動臂 2 斗柄 3 鏟斗 當(dāng) 時 2 4 扭矩關(guān)系 從 2 3 節(jié)的連桿關(guān)系可知 考慮到液壓缸的摩擦力 提供的扭矩 i 如下 其中 Cci 是粘滯摩擦系數(shù) Fi 是液壓缸的動摩擦力 2 5 滑閥的反應(yīng) 特性 滑閥動作對液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會很大的影響 因而 假定滑閥相對 參考輸入有以下的一階延遲 其中 是滑芯位移的參考輸入 是時間常數(shù) 3 角度控制系統(tǒng) 如圖 4 所示 角基本上由隨動參考輸入角 通過位置反饋 來控制 為了獲得更精確的控制 非線性補償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中 以下詳細(xì) 討論其控制算法 3 1 非線性補償 在普通的自動控制系統(tǒng)中 常使用如伺服閥這一類新的控制裝置 在半自動控制系統(tǒng)中 為了實現(xiàn)自 控與手控的協(xié)調(diào) 必須使用手動的主控閥 這 一類閥中 閥芯的位移與閥的開度是非線性的關(guān)系 因此 自動控制操作中 利用這種關(guān)系 閥芯位 移可由所要求的閥的開度反推出來 同時 非 線性是可以補償?shù)?圖 5 3 2 狀態(tài)反饋 建立在第 2 節(jié) 所討論的模型的基礎(chǔ)上 若動臂角度控制動態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線性化 滑芯位移 X 10 液壓缸壓力差 P 110 動 臂夾 角 10 則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為 其中 Kp 是位 置反饋增益系數(shù) 由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1 所 以反應(yīng)是不穩(wěn)定的 例如 大型液壓挖掘機(jī)SK 16 中 X10 是 0 給出 的系數(shù)a0 2 7 10 a1 6 0 10 a2 1 2 10 加上加速度 反饋放大系數(shù)Ka 因而閉環(huán) 圖 4 的上環(huán) 的傳遞函數(shù)就是 加入這個因素 系數(shù)S 就變大 系統(tǒng)趨于穩(wěn)定 可見 利用加速度反饋來提高反應(yīng)特性效果明顯 但是 一般很難精確的測出加速度 為了避免這個問題 改用液壓缸力反饋取代加速度反饋 圖 4 的下環(huán) 于是 液壓缸力由測出的缸內(nèi)的壓力 計算而濾掉其低頻部分 7 8 這就是所謂的壓力反 饋 4 伺服控制系統(tǒng) 當(dāng)一聯(lián)軸器是手動操控 而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動作控制時 這必須使用伺服控制系統(tǒng) 例如 如圖 6 所示 在反鏟水平動作控制中 動 臂 的控制是通過保持斗柄底部 Z 由 1 與 2 計算所 得 與 Zr 的高度 為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng) 4 1 前饋控制 由圖 1 計算 Z 可以得到 將方程 8 兩邊對時間求導(dǎo) 得到以下關(guān)系式 右邊第一個式子看作是表達(dá)式 反饋部分 將 替換成 1 右邊第二個式子是表達(dá)式 前饋部 分 計算當(dāng) 2 手動地改變時 1 的改變量 實際上 用不同的 2 值可確定 1 通過調(diào)整改變前饋增益 Kff 可實 現(xiàn)最佳的前饋率 采用 測量斗柄操作手柄的位置 如角度 取代測斗柄的角速度 因為驅(qū)動斗柄的角速度與操作手柄的位置 近似成比例 4 2 根據(jù)位置自 適應(yīng)增益調(diào)度 類似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人 其動態(tài)特性對位置非常敏感 因此 要在所有位置以恒定的增益穩(wěn) 定的控制機(jī)器是困難的 為了解決這個難題 根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中 圖 6 如 圖 7 所示 自 適應(yīng)放大系數(shù) KZ 或 K 作為函數(shù)的兩個變量 2 和 Z 2 表示斗柄 的 伸長量 Z 是表示鏟斗的高度 5 模擬實驗結(jié)論 反鏟水平動作控制的模擬實驗是將本文第 4 節(jié)所描述的控制算法用在本文第 2 節(jié)所討 論的液壓挖掘 機(jī)的模型上 在 SK 16 大型 液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模 擬實驗 圖 8 表示其中一組結(jié)果 控制系統(tǒng)啟動 5 秒以 后 逐步加載擾動 圖 9 表 示使用前饋控制能減少控制錯誤的產(chǎn)生 6 半自動控制系統(tǒng) 建立在模擬實驗的基礎(chǔ)上 半自動控制系統(tǒng)已制造出來 應(yīng)用在 SK 16 型挖掘機(jī)上試驗 通過現(xiàn)場 試驗可驗證其操作性 這一節(jié)將討論該控制系 統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)與功能 6 1 結(jié)構(gòu) 圖 10 的例子中 控制系統(tǒng)由控制器 傳感器 人機(jī)接口和液壓系統(tǒng)組成 控制器是采用 16 位的微處理器 能接收來自動臂 斗柄 鏟斗傳感器的角度輸入信號 控制每一 操作手柄的位置 選擇相應(yīng)的控制模式和計算其 實際改變量 將來自放大器的信號以電信號形式輸出結(jié)果 液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比 例閥的電信號成比例 主控閥的滑芯的位置控 制流入液壓缸液壓油的流量 為獲得高速度 高精度控制 在控制器上采用數(shù)字處理芯片 傳感器上使用高分辨率的磁編碼器 除 此之外 在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便 獲得壓力反饋信號 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲器上 可以從通信端口中讀出 6 2 控制功能 控制系統(tǒng)有三種控制模式 能根據(jù)操作桿 和選擇開關(guān)自動切換 其具體功能如下 1 反鏟水平動作模式 用水平反鏟切換開關(guān) 在手控斗柄推動操作中 系統(tǒng)自動的控制斗柄以及 保持斗柄底部的水平運動 在這種情況下 當(dāng) 斗柄操作桿開始操控時 其參考位置是從地面到斗柄 底部的高度 對動臂操作桿的手控操作能暫時中斷自動控制 因為手控操作的優(yōu)先級高于自動 控制 2 鏟斗水平舉升模式 用鏟斗水平舉升切換開關(guān) 在手控動臂舉升操作中 系統(tǒng)自動控制鏟斗 保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時角度以阻止 原材料從鏟斗中泄漏 3 手控操作模式 當(dāng)既沒有選擇反鏟水平動作模式 也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時 動臂 斗 柄 鏟斗都只能通過手動操作 系統(tǒng)主要采用 C 語言編程來 實現(xiàn)這些功能 以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高 系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性 7 現(xiàn)場試驗結(jié)果與分析 通過對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗 證實該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作 核實本文第 3 4 節(jié)所闡述的控制算法的作用 如下所述 7 1 單個組件的 自動控制測試 對于動臂 斗柄 鏟斗每一組件 以 5 的 梯度從最初始值開始改變其參考角度值 測量其反應(yīng) 從 而確定第 3 節(jié)所描述的控制算法的作用 7 1 1 非線性補 償?shù)淖饔?圖 11 表明動臂下降時的測試結(jié)果 因為電液系統(tǒng)存在不靈敏區(qū) 當(dāng)只有簡單的位置反饋而無補償 時 圖 11 中的 關(guān) 穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在 加入非 線性補償后 圖 11 中的開 能減少這種錯誤的產(chǎn) 生 7 1 2 狀態(tài)反饋 控制的作用 對于斗柄和鏟斗 只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng) 但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度 以動臂為例 僅只有位置反饋時 響應(yīng)趨向不穩(wěn) 定 加入加速度或壓力反饋后 響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn) 例如 圖 12 表示動臂下降時 采用壓力 反饋補償時的測試結(jié)果 7 2 反鏟水平控 制測試 在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測驗 觀察其控制特性 同時確定最優(yōu)控制參數(shù) 如圖 6 所 示的控制放大系數(shù) 7 2 1 前饋控制 作用 在只有位置反饋的情況下 增大放大系數(shù) Kp 減少 Z 錯誤 引起系統(tǒng)不穩(wěn)定 導(dǎo)致系統(tǒng)延 時 例如圖 13 所示 的 關(guān) 也就是 Kp 不能減 小 采 用第 4 1 節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能 減少錯誤而不致于增大 Kp 如 圖示的 開 7 2 2 位置的補 償作用 當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時 反鏟水平動作趨于不穩(wěn)定 不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位 置改變放大系數(shù) Kp 來消除 如 第 4 2 節(jié)所討論的 圖 14 表示其作用 表明反鏟在離地大約 2 米時水平動作結(jié)果 與不裝補償裝置的情況相比較 圖中的關(guān)表示不裝時 開的情況具有補償提供穩(wěn)定 響應(yīng) 7 2 3 控制間隔 的作用 關(guān)于控制操作的控制間隔的作用 研究結(jié)果如下 1 當(dāng)控制間隔設(shè) 置在超過 100ms 時 不穩(wěn)定振 蕩因運動的慣性隨位置而加劇 2 當(dāng)控制間隔低 于 50ms 時 其 控制操作不能作如此大提高 因此 考慮到計算精度 控制系統(tǒng)選 定控制間隔為 50ms 7 2 4 受載作用 利用控制系統(tǒng) 使液壓挖掘機(jī)執(zhí)行實際挖掘動作 以研究其受載時的影響 在控 制精度方面沒有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時有很大的不同 8 結(jié)論 本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合 使精確控制液壓挖掘機(jī)成為可能 同時也證實了非線性補償能使 普通控制閥應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中 因而應(yīng)用 這些控制技術(shù) 允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和 精確地操控液壓挖掘機(jī) 將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上 如履帶式起重機(jī) 能使普通結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任 何人容易操控的機(jī)器 參考文獻(xiàn) 1 J Chiba T Takeda Automatic control in construction machines Journal of SICE 21 8 1982 40 46 2 H Nakamura A Matsuzaki Automation in construction machinery Hitachi Review 57 3 1975 55 62 3 T Nakano et al Development of large hydraulic excavator Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 42 51 4 T Morita Y Sakawa Modeling and control of power shovel Transactions of SICE 22 1 1986 69 75 5 H Araya et al Automatic control system for hydraulic excavator R D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 74 78 6 P K Vaha M J Skibniewski Dynamic model of excavator Journal of Aerospace Engineering 6 2 1990 April 7 H Hanafusa Design 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